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문제 정의
- 스페이스와이어 기술의 국내 확보를 위하여 과학기술위성 3호[5]의 탑재 컴퓨터와 대용량 메모리 유닛 사이에 스페이스와이어를 이용한 통신 채널이 채택되었고 대용량 메모리 유닛[6] 측에는 국내에서 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로가 장착되었다. 본 논문은 향후 국내 우주 개발 프로그램의 적용을 목표로 과학기술위성 3호의 대용량 메모리 유닛에 적용된 스페이스 와이어 링크 인터페이스 회로의 개발과 구현 및 시험에 대해 정리하였다. 2장은 스페이스와이어의 개요에 대해 소개하고, 3장은 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스에 대해 소개한다.
제안 방법
- 블록 RAM의 일부는 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로의 송수신용 버퍼(각각 2KByte)로 사용되고, 일부는 시험 프로그램의 코드와 데이터를 저장하는 용도로 사용되었다. FPGA 내부 신호의 측정을 위해 Logic Analyzer 기능을 구현 해주는 Chip Scope 블록을, 간단한 입출력을 위하여 GPIO 블록을, 그리고 시험용 컴퓨터와의 접속을 위해 UART 블록을 사용하였다. 시스템 버스로는 PLB (Processor Local Bus) 버스를 적용하였으며 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로는 PLB 버스를 통하여 호스트인 MicroBlaze 프로세서에 접속되었다.
- FPGA 내부에 Fig. 11과 같이 스페이스와이어 링크 인터페이스와 이를 구동할 호스트 그리고 시험을 위한 주변 장치를 구현하였으며, 호스트는 Xilinx사가 제공하는 MicroBlaze를 사용하였다. 블록 RAM의 일부는 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로의 송수신용 버퍼(각각 2KByte)로 사용되고, 일부는 시험 프로그램의 코드와 데이터를 저장하는 용도로 사용되었다.
- 15에서 Protocol Manager는 Xilinx 사의 MicroBlaze 세 개를 TMR(Triple modular redundancy) 구조로 사용한 호스트 블록이고 Memory Manager는 고속 데이터 처리 블록이다. 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로는 IBM에서 개발한 PLB(Processor Local Bus) 버스를 통하여 Protocol Manager에 접속되어 있으며, 대용량 메모리 유닛을 구성하는 다른 기능과 함께 FPGA에 구현되었다.
- 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스가 표준에 부합하는지를 시험하기 위하여 STAR-Dundee 사가 공급하는 SpaceWire PCI-2 보드와 스페이스 와이어 케이블을 이용하여 Fig. 10과 같은 시험 환경을 구축하였다. 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로가 표준이 요구하는 연결 설정 절차에 따라 연결 설정 후 정상 통신하는 것을 확인하였고, 조건에 따라 호스트에게 인터럽트를 요청하는 것을 확인하였다.
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Ⅱ. 스페이스와이어 개요
개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스는 표준[1]에 정의되어 있는 신호 계층(Signal level), 부호 계층(Character level), 교환 계층(Exchange level) 그리고 패킷 계층(Packet level)을 구현하였다. 구현된 각 계층에 대해서 간단히 정리하면 다음과 같다.
- Flow Controller) 블록에, 시각 코드는 시각 코드 레지스터에 각각 공급한다. 그리고 Fig. 2의 교환 계층 상태 천이에 필요한 수신 오류(RxErr), FCT 수신(gotFCT), 데이터 부호 수신(gotNChar), NULL 수신(gotNULL) 등의 이벤트 발생 여부를 감지하고 그 결과를 상태기계부(State machine)에 제공한다.
- 대용량 메모리 유닛은 과학기술위성 3호의 탑재체인 적외선 영상시스템(MIRIS)와 초소형 영상분광기 (COMIS)로부터 생성되는 데이터를 저장하고 관리하며 지상으로 전송하는 역할을 담당한다. 그리고 탑재 컴퓨터(OBC)와의 통신을 위해 사용하는 2 채널중 하나가 본 논문에서 소개되는 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로가 채용된 스페이스와이어 링크이며 다른 하나는 UART를 이용한 RS-232 통신이 적용되었다.
- 부호 계층은 IEEE 1355 표준[3]에 시각 코드 (Time code)를 추가하여 구성되었으며, 정보 전달을 위한 8-bit 데이터 부호(Data Character), 링크 제어를 위한 4-bit 제어 부호(Control Character)와 8-bit NULL 코드 그리고 시각 정보를 전달하는 6-bit 시각 코드를 규정한다. 부호와 코드 송수신에는 오류 검출을 위한 홀수 패리티가 적용된다.
- FPGA 내부 신호의 측정을 위해 Logic Analyzer 기능을 구현 해주는 Chip Scope 블록을, 간단한 입출력을 위하여 GPIO 블록을, 그리고 시험용 컴퓨터와의 접속을 위해 UART 블록을 사용하였다. 시스템 버스로는 PLB (Processor Local Bus) 버스를 적용하였으며 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로는 PLB 버스를 통하여 호스트인 MicroBlaze 프로세서에 접속되었다.
대상 데이터
- 4를 이용하여 합성했을 때 XC3S700AN FPGA의 자원 사용량 통계를 보여준다. XC3S700AN가 70만 게이트급의 FPGA이고 내부의 Slice가 5% 정도 사용되었으므로 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로에 약 35,000 게이트 정도가 사용되었다고 추정할 수 있다.
- 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로는 Fig. 15에 보인 것처럼 과학기술위성 3호의 대용량 메모리 유닛[6]에 적용되었다. 대용량 메모리 유닛은 과학기술위성 3호의 탑재체인 적외선 영상시스템(MIRIS)와 초소형 영상분광기 (COMIS)로부터 생성되는 데이터를 저장하고 관리하며 지상으로 전송하는 역할을 담당한다.
- 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로는 향후 설계 유연성 확보를 위해 VHDL언어를 이용하여 개발되었으며 Fig. 3과 같이 수신부(Receiver), 송신부(Transmitter), 상태기계(State Machine), 송신 버퍼 및 흐름 제어부(Tx. Buffer & Flow Controller), 수신 버퍼 및 흐름 제어부(Rx. Buffer & Flow Controller), 주요 레지스터, 그리고 호스트 인터페이스부(Host Interface)로 구성되어 있다.
- 스페이스와이어 링크 인터페이스의 구현 및 시험에 필요한 하드웨어는 별도의 제작 없이 Xilinx사의 XC3S700AN가 장착되어 있는 Fig. 10 의 Spartan-3AN FPGA 개발 보드를 사용하였다. XC3S700AN는 70만 게이트급의 FPGA로 송수신용 FIFO 구현이 용이한 92Kbits의 블록 RAM을 내장하고 있으며, LVDS를 지원한다.
성능/효과
- 10과 같은 시험 환경을 구축하였다. 개발된 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로가 표준이 요구하는 연결 설정 절차에 따라 연결 설정 후 정상 통신하는 것을 확인하였고, 조건에 따라 호스트에게 인터럽트를 요청하는 것을 확인하였다. Fig.
후속연구
- 스페이스와이어는 고신뢰, 저전력, 고속 데이터 처리를 위해 고안되었다. 구현 비용과 관련 부품의 크기가 작기 때문에 소형 인공위성 같은 우주개발 프로그램에 적용하기 적합하다고 판단되며 앞으로 적용이 계속 확대될 것으로 예상된다. 향후 항공 우주 분야를 떠나 저전력, 고신뢰 성이 요구되는 타 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대되며, 현재 스페이스와이어의 응용 분야 확대에 관한 연구가 진행 중이다.
- 특히 인공위성 내부에 스페이스와이어 네트워크를 구축하기 위해서는 스페이스와이어 라우터 개발이 필수적이다. 본 논문에서 소개한 스페이스와이어 링크 인터페이스 회로는 과학기술위성 3호의 대용량 메모리 유닛에 적용되어 우주에서의 사용이 검증되면 차기 소형 위성 개발 프로그램에 적용될 수 있을 것으로 기대되며, 향후 스페이스와이어 라우터 개발에 밑거름이 될 것이다.
- 향후 국내 우주개발 프로그램에서 스페이스와 이어 기술을 효율적으로 유연성 있게 적용하기 위해서는 관련 기술 확보가 필수적이다. 특히 인공위성 내부에 스페이스와이어 네트워크를 구축하기 위해서는 스페이스와이어 라우터 개발이 필수적이다.
- 구현 비용과 관련 부품의 크기가 작기 때문에 소형 인공위성 같은 우주개발 프로그램에 적용하기 적합하다고 판단되며 앞으로 적용이 계속 확대될 것으로 예상된다. 향후 항공 우주 분야를 떠나 저전력, 고신뢰 성이 요구되는 타 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대되며, 현재 스페이스와이어의 응용 분야 확대에 관한 연구가 진행 중이다.
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